認(rèn)知電磁頻譜通信及應(yīng)用

使用人工智能（AI），特別是機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性電磁戰(zhàn)（EW）聽(tīng)起來(lái)很誘人。想象一下，一臺(tái)機(jī)器知道如何、何時(shí)、何地堵塞，然后最好的電子戰(zhàn)操作員甚至可以處理她示波器中的信息。然而，一些運(yùn)營(yíng)商對(duì)認(rèn)可認(rèn)知電子戰(zhàn)猶豫不決，描繪誤導(dǎo)算法導(dǎo)致錯(cuò)誤的、危及生命的故障，比如導(dǎo)致自動(dòng)駕駛汽車(chē)撞車(chē)的故障。

為了在擁擠的電磁頻譜（EMS）中獲勝，人類必須學(xué)會(huì)在戰(zhàn)斗等高風(fēng)險(xiǎn)情況下信任ML算法。因此，認(rèn)知電子戰(zhàn)，即機(jī)器學(xué)習(xí)與信號(hào)處理、分類和自動(dòng)響應(yīng)相結(jié)合的想法，應(yīng)該處于EMS社區(qū)發(fā)展的最前沿。想象一下，一臺(tái)機(jī)器知道如何、何時(shí)、何地堵塞，然后最好的電子戰(zhàn)操作員甚至可以處理她示波器中的信息。

未來(lái)的比賽將需要敏捷、自適應(yīng)的頻譜管理以及比人類認(rèn)知更快的跳頻能力。認(rèn)知電子戰(zhàn)為電磁頻譜操作（EMSO）社區(qū)提供了在競(jìng)爭(zhēng)激烈、擁擠的 EMS 戰(zhàn)場(chǎng)空間中減少操作員工作量的功能。

此外，如果沒(méi)有ML算法，聯(lián)合部隊(duì)就有可能在EMS中被對(duì)手擊敗。因此，針對(duì)對(duì)等威脅的認(rèn)知頻譜管理將被證明是不可或缺的，因?yàn)椴捎寐?lián)合全域指揮與控制（JADC2）和多域作戰(zhàn)（MDO）作為聯(lián)合作戰(zhàn)概念的一部分。

作戰(zhàn)人員應(yīng)該接受認(rèn)知EMSO（電子戰(zhàn)和頻譜管理），因?yàn)楸仨氃贓MSO的各個(gè)方面利用ML才能獲勝。服務(wù)應(yīng)優(yōu)先考慮認(rèn)知EMSO，因?yàn)槊艚蓊l譜管理對(duì)于實(shí)現(xiàn)AI支持的JADC2能力至關(guān)重要。 ? ? 此外，現(xiàn)在需要采取行動(dòng)，為認(rèn)知EMSO開(kāi)發(fā)軟件并收集大量數(shù)據(jù)，這是信號(hào)處理和ML的自然計(jì)算結(jié)合，以查看潛在的缺陷可能在哪里以及如何優(yōu)化人機(jī)協(xié)作。 ? ? 開(kāi)發(fā)用于認(rèn)知EMSO的技術(shù)和人機(jī)信任對(duì)于成功的JADC2至關(guān)重要。為了在擁擠的電磁頻譜（EMS）中獲勝，人類必須學(xué)會(huì)在戰(zhàn)斗等高風(fēng)險(xiǎn)情況下信任ML算法。 ? ? 用于將所有軍事部門(mén)（空軍，陸軍，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)，海軍和太空部隊(duì)）的傳感器連接到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。JADC2 是聯(lián)合作戰(zhàn)概念的基礎(chǔ)，允許指揮官通過(guò)利用 AI 來(lái)協(xié)助射擊者與目標(biāo)的配對(duì)并保持對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)空間的態(tài)勢(shì)感知，從而做出更好的決策。 ? ? EMS在傳感器，射手和指揮官之間建立了紐帶，使JADC2發(fā)揮了作用。此外，環(huán)境管理體系為MDO提供了至關(guān)重要的協(xié)調(diào)，特別是在我們利用太空和網(wǎng)絡(luò)空間資產(chǎn)時(shí)。

EMS越來(lái)越擁擠和復(fù)雜。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境中，找到可用的工作頻率超出了人類的認(rèn)知，特別是考慮到動(dòng)態(tài)威脅干擾系統(tǒng)的速度。在沖突中，EMS將擠滿友方和敵方的主動(dòng)單站和多靜態(tài)雷達(dá)，通信，無(wú)源傳感器和電磁攻擊系統(tǒng)，所有這些都在各種天氣和地形環(huán)境中傳播。EMS圖片對(duì)于人類來(lái)說(shuō)太復(fù)雜了，在任務(wù)期間無(wú)法理解。 ? 此外，對(duì)等對(duì)手可能具有我們尚未發(fā)現(xiàn)和編目的電子攻擊能力。我們需要預(yù)測(cè)性的敏捷系統(tǒng)來(lái)對(duì)抗這些新生（或隱藏）的能力，并理解戰(zhàn)斗中復(fù)雜的EMS環(huán)境。

傳感器和射手可以通過(guò)擁擠的EMS進(jìn)行通信，允許機(jī)器在頻譜中找到可用帶寬，并將資產(chǎn)動(dòng)態(tài)且比對(duì)手更快地轉(zhuǎn)移到可用頻率。ML 可以在需要時(shí)推薦和操作預(yù)測(cè)性跳頻和干擾避免。 ? 如果沒(méi)有預(yù)測(cè)被拒絕的EMS區(qū)域的能力，那么與同行競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的通信的可操作性將不存在。

? 對(duì)手仍然會(huì)找到一種方法來(lái)干擾一些通信。盡管如此，應(yīng)該使ML處理能夠?qū)ふ铱捎玫念l譜，并使對(duì)手難以拒絕我們的通信。這樣做將增加保持連接的聯(lián)合部隊(duì)資產(chǎn)的數(shù)量，從而提高作戰(zhàn)人員向?qū)κ职l(fā)射致命和非致命火力的能力。

? 隨著行業(yè)開(kāi)發(fā)認(rèn)知EMSO工具，操作員將在動(dòng)態(tài)環(huán)境中適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)級(jí)ML和作戰(zhàn)級(jí)電磁戰(zhàn)斗管理（EMBM）系統(tǒng)。在聯(lián)合部隊(duì)訓(xùn)練和行動(dòng)的同時(shí)，他們的傳感器可以建立大型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)測(cè)。數(shù)據(jù)科學(xué)家將需要大量時(shí)間來(lái)整理友軍將收集的大量信息。 ? ? 此外，還需要對(duì)許多系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行建模，并手動(dòng)輸入這些信號(hào)。這種耗時(shí)的信號(hào)采集、標(biāo)記和調(diào)理過(guò)程必須盡快開(kāi)始。認(rèn)知EMSO的投資回報(bào)率沒(méi)有標(biāo)記的，整理的數(shù)據(jù)將產(chǎn)生次優(yōu)的結(jié)果。因此，工業(yè)界現(xiàn)在必須合作開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)。

構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)以便機(jī)器學(xué)習(xí)可以開(kāi)始將需要數(shù)年時(shí)間。豪華電動(dòng)汽車(chē)公司特斯拉花了數(shù)年時(shí)間開(kāi)發(fā)其全自動(dòng)駕駛功能。特斯拉的ML輔助駕駛能力需要來(lái)自道路上的100萬(wàn)輛汽車(chē)的數(shù)千PB數(shù)據(jù)。

認(rèn)知EMSO在收集ML所需的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)湖方面同樣將面臨艱巨的挑戰(zhàn)。一旦工程師、作戰(zhàn)人員和計(jì)算機(jī)科學(xué)家建立了信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)，監(jiān)督學(xué)習(xí)就可以開(kāi)始了。監(jiān)督學(xué)習(xí)使用人類專家標(biāo)記的大量正面和負(fù)面示例來(lái)訓(xùn)練系統(tǒng)。

現(xiàn)在需要采取行動(dòng)，開(kāi)發(fā)軟件并為認(rèn)知EMSO收集大量數(shù)據(jù)，這是信號(hào)處理和ML的自然計(jì)算結(jié)合。調(diào)查專家，如海軍武器和戰(zhàn)術(shù)教官和空軍武器學(xué)校畢業(yè)生，整理和標(biāo)記輸入監(jiān)督學(xué)習(xí)過(guò)程的數(shù)據(jù)同樣需要花費(fèi)大量時(shí)間。團(tuán)隊(duì)必須測(cè)試許多算法，而不僅僅是時(shí)尚的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 ? ? 在這個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)空間中，速度往往勝過(guò)完全的準(zhǔn)確性。換句話說(shuō)，在許多情況下，簡(jiǎn)單的計(jì)算可能會(huì)更好。為了最好地微調(diào)ML算法，計(jì)算機(jī)科學(xué)家必須花費(fèi)數(shù)年時(shí)間與戰(zhàn)術(shù)專家和情報(bào)分析師一起在電子戰(zhàn)范圍和模擬中。

? 計(jì)算機(jī)科學(xué)家和戰(zhàn)術(shù)EMSO專家都需要時(shí)間來(lái)改變和調(diào)整場(chǎng)景，假設(shè)戰(zhàn)場(chǎng)上將有哪些裝備，并為無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)制定獎(jiǎng)勵(lì)。雖然無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)通常需要更長(zhǎng)的時(shí)間，但它通?？梢援a(chǎn)生驚人的效率。

數(shù)據(jù)科學(xué)家和EMSO專家應(yīng)該在收集必要數(shù)據(jù)，標(biāo)記和調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)以及在各種場(chǎng)景中開(kāi)發(fā)和完善算法的漫長(zhǎng)過(guò)程中團(tuán)隊(duì)合作。這樣做將使聯(lián)合部隊(duì)能夠預(yù)測(cè)并超越EMS中的對(duì)手行動(dòng)。

盡管有些人可能對(duì)采用認(rèn)知EMSO猶豫不決，因?yàn)樗麄冏⒁獾饺斯ぶ悄苋绾纬龊跻饬系刈屛覀兪⑹谷祟愡^(guò)于依賴機(jī)器，這就是為什么今天必須采用認(rèn)知EMSO。 ? 像MissionWare這樣的基于軟件的功能是ML輔助EMSO的理想試驗(yàn)場(chǎng)。當(dāng)創(chuàng)建自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，永遠(yuǎn)不會(huì)將人類從OODA循環(huán)中拉出來(lái)。相反，改變了操作員和機(jī)器之間的工作量以及人與計(jì)算機(jī)之間的關(guān)系。隨著人機(jī)團(tuán)隊(duì)在認(rèn)知EMSO方面變得更加熟練，可以更好地看到一條通往人工智能支持的JADC2的清晰道路。 ? ML輔助頻譜管理需要時(shí)間，但結(jié)果將使聯(lián)合作戰(zhàn)概念的C2功能戰(zhàn)斗成為可能。聯(lián)合部隊(duì)將通過(guò)減少操作員在擁擠、競(jìng)爭(zhēng)和商業(yè)戰(zhàn)場(chǎng)上的計(jì)算工作量來(lái)優(yōu)化高需求、低密度的電磁資源。此外，將ML添加到EMSO將實(shí)現(xiàn)頻譜的敏捷性和收斂性。聯(lián)合部隊(duì)?wèi)?yīng)推動(dòng)物質(zhì)解決方案，以促進(jìn)和建立今天的認(rèn)知EMSO能力。

電子支持 (ES)：是電子戰(zhàn) (EW) 領(lǐng)域的一個(gè)分支，其任務(wù)是通過(guò)檢測(cè)、分類、記錄、識(shí)別和定位監(jiān)視和通信鏈路的射頻 (RF) 波段發(fā)射器來(lái)立即識(shí)別環(huán)境中存在的威脅敵對(duì)的軍事系統(tǒng)。

ES 系統(tǒng)是無(wú)源設(shè)備，即它們不輻射（它們?cè)谶\(yùn)行期間保持電磁靜默）。

電子攻擊（EA）：是電子戰(zhàn)（EW）領(lǐng)域的一個(gè)分支，適用于武器系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)和無(wú)線通信，“涉及使用電磁能量、直接能量或反輻射武器攻擊人員、結(jié)構(gòu)或設(shè)備意圖降低、中和或摧毀敵人的作戰(zhàn)能力”。

由于軍事行動(dòng)的所有組成部分都是依賴于頻譜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，因此電子戰(zhàn)任務(wù)已經(jīng)發(fā)展為控制、管理和保護(hù)我們對(duì)電磁頻譜 (EMS) 的使用，以便通過(guò)EMS的安全部分維持基本的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)傳輸、共享、存檔、保護(hù)和傳播關(guān)鍵信息。

另一方面，必須了解、控制和拒絕對(duì)手對(duì)EMS的使用，以阻止和/或混淆正確的信息流，從而延遲或阻止對(duì)手的決策過(guò)程。

簡(jiǎn)而言之，新的任務(wù)要求將是“網(wǎng)絡(luò)”的被動(dòng)和主動(dòng)保護(hù)/攻擊：我方不受挑戰(zhàn)地使用電磁頻譜是要保護(hù)和保障的實(shí)體，而敵人使用電磁頻譜是要被阻礙、壓制和攻擊的實(shí)體。甚至被摧毀。

電子戰(zhàn)可以通過(guò)有人和無(wú)人系統(tǒng)從空中、海上、陸地和太空應(yīng)用，并且可以針對(duì)人類、通信、雷達(dá)或其他資產(chǎn)。

電子戰(zhàn)被描述為具有三個(gè)主要子領(lǐng)域（圖 1）：電子支持 (ES)、電子攻擊 (EA) 和電子保護(hù) (EP)，但根據(jù)參考場(chǎng)景的演變以及其使用條款的演變和為了強(qiáng)調(diào)EW是EMSO（電磁頻譜操作）的一部分，“電子”一詞最近被“電磁”取代，產(chǎn)生了新的縮寫(xiě)詞EMS、EMA、EMP。

電磁頻譜（EMS）對(duì)軍事行動(dòng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)獨(dú)特的挑戰(zhàn)環(huán)境。與在空中或沿地面或海上實(shí)際移動(dòng)的物體不同，電磁能量以光速傳播，不容易被墻壁、邊界或禁區(qū)控制。

因此，傳感、通信和電磁戰(zhàn)（EW）等軍事EMS活動(dòng)很難相互分離或與民用用戶分離。隨著需要將頻譜分配給5G移動(dòng)通信、擴(kuò)大Wi-Fi覆蓋范圍以及車(chē)輛和消費(fèi)產(chǎn)品上無(wú)處不在的傳感和通信，對(duì)軍用EMS接入的限制只會(huì)越來(lái)越大。 ? 俄羅斯和美國(guó)軍方都在積極尋求將人工智能作為其整體部隊(duì)發(fā)展的一個(gè)要素，但與管理和支持能力相比，作戰(zhàn)系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)不同。國(guó)防部將人工智能優(yōu)先納入作戰(zhàn)系統(tǒng)，而解放軍和俄羅斯武裝力量則將人工智能的實(shí)施重點(diǎn)放在C2、管理支持系統(tǒng)以及情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）上。